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千葉輪：《Nature》重磅|量子納米金剛石可以將HIV的診斷提早16天，正在進(jìn)行病毒試點(diǎn)！
閱讀：93 發(fā)布時(shí)間：2022-3-14熒光納米金剛石（Fluorescent nanodiamonds，F(xiàn)ND）中氮空位（nitrogen-vacancy，NV）缺陷的量子自旋特性，不僅在量子計(jì)算和通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其熒光性能也十分優(yōu)異，包括高量子產(chǎn)率，無光閃爍或光漂白，高穩(wěn)定以及低毒性等。在磁場量化、溫度傳感和生物標(biāo)記等方向上也存在著廣泛的應(yīng)用。與中性（NV0）中心不同，NV-中心的主要優(yōu)勢在于，其熒光可以通過自旋調(diào)控的方式進(jìn)行選擇性調(diào)節(jié)，從而在高背景環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離。
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傳染病對(duì)健康構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)，而早期的診斷對(duì)于各種傳染病有效的治療和預(yù)防至關(guān)重要。目前對(duì)傳染病病毒，如艾滋病病毒（HIV）或是病毒（）檢測的方法較為繁瑣，且需要較長時(shí)間。而與妊娠測試相似的紙基側(cè)向流動(dòng)測試（lateral flow assay, LFA）則是一種便捷的檢測方法。其工作方式為將紙的一端浸入樣本中，通過顏色（或熒光信號(hào)）的變化與否進(jìn)行診斷。這種方法便捷且迅速，無需在實(shí)驗(yàn)室中處理結(jié)果。然而，當(dāng)前基于納米顆粒的生物傳感器的靈敏度仍然欠缺。
近日，英國倫敦大學(xué)的Benjamin S. Miller等與Rachel A. McKendry課題組合作，將熒光納米金剛石用作體外診斷的超靈敏標(biāo)簽，并通過微波調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度與頻域分析，將信號(hào)與背景熒光信號(hào)分離，突破了靈敏度的限制。基于該技術(shù)的低成本檢測試紙，對(duì)-親和素模型的檢測極限達(dá)到了8.2×10-19摩爾。在對(duì)HIV病毒檢測實(shí)驗(yàn)中，比傳統(tǒng)使用金納米顆粒的檢測靈敏度提高了98000倍。此外，由于HIV病毒相對(duì)于抗原和抗體能夠更早的被檢測到（分別提早7天與16天），因此與現(xiàn)有的基于實(shí)驗(yàn)室的核酸檢測或即時(shí)蛋白檢測相比，該技術(shù)提供了更早診斷的潛力。除了HIV病毒之外，該技術(shù)還適用于SARS-CoV-2病毒，并正在進(jìn)行病毒的試點(diǎn)。該研究以題為“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics"的論文發(fā)表在一期的《Nature》上。
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傳統(tǒng)的生物傳感檢測中，熒光標(biāo)記物受到來自于樣品或試紙條的背景熒光的限制，大大阻礙了對(duì)低濃度的RNA或DNA的檢測。在該研究中，研究人員主要利用了納米金剛石中氮空位缺陷的量子特性。這種量子特性允許通過微波場調(diào)控的方式，對(duì)靶向分子發(fā)出的熒光信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將信號(hào)固定在設(shè)定好的頻率上，從而將目標(biāo)熒光信號(hào)與背景信號(hào)分離，實(shí)現(xiàn)低濃度檢測。
基于納米金剛石的側(cè)向流動(dòng)測試
通過微波對(duì)納米金剛石熒光信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)
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光學(xué)結(jié)果表明，與金納米顆粒相比，基于納米金剛石的樣品靈敏度提高了五個(gè)數(shù)量級(jí)（98000倍）（這意味著生成可檢測信號(hào)所需的納米顆粒數(shù)量要少得多）。且恒溫核酸擴(kuò)增耗時(shí)僅為10分鐘（RNA增殖），這使得對(duì)艾滋病病毒的單分子檢測成為現(xiàn)實(shí)。
基于納米金剛石的側(cè)向流動(dòng)測試的檢測極限
作者Benjamin S. Miller博士表示，基于紙的測向流動(dòng)測試避免了繁瑣的實(shí)驗(yàn)室分析，顯著提升了測試便捷性與及時(shí)性，同時(shí)大大降低了成本，這使得它們?cè)谫Y源貧乏地區(qū)特別適用。
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另一位通訊作者Rachel A. McKendry表示，該技術(shù)非常靈活，可以輕松適應(yīng)其他疾病和生物標(biāo)記物類型。當(dāng)下研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行該技術(shù)在病毒檢測方面的研究。Rachel A. McKendry相信，這種變革性的新技術(shù)將使患者受益，并保護(hù)人們免受傳染病的侵害。
目前，該技術(shù)已經(jīng)成功在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了演示，但是，研究人員希望進(jìn)行進(jìn)一步的測試，以便可以使用智能手機(jī)或便攜式熒光讀取器讀取結(jié)果。這意味著將來可以在資源較少的環(huán)境中進(jìn)行測試，從而更便捷的進(jìn)行病毒檢測。
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